基于小世界與能效的容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法

周朝榮，徐小瓊，楊 柳，馬小霞(. 四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 成都 600；2. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 600)

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基于小世界與能效的容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法

周朝榮1,2，徐小瓊1,2，楊 柳1，馬小霞1
(1. 四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 成都 610101；2. 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610101)

【摘要】容遲網(wǎng)絡(luò)(DTN)具有小世界特性，一條消息至多需要五至六跳中間節(jié)點(diǎn)就可從源節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。為此，算法(TBSF)結(jié)合小世界特性通過(guò)限制中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目來(lái)提高消息的交付率，但該方法沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的能耗以及社會(huì)權(quán)威的問(wèn)題。該文從節(jié)點(diǎn)能效與社會(huì)權(quán)威出發(fā)提出一種改進(jìn)的算法。該算法設(shè)計(jì)了能量控制機(jī)制，并在擴(kuò)展度中心性的基礎(chǔ)上討論節(jié)點(diǎn)的社會(huì)權(quán)威，在消息的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中突出權(quán)威節(jié)點(diǎn)的作用。仿真結(jié)果表明，該算法在保持較高消息交付率的同時(shí)能夠降低網(wǎng)絡(luò)的能耗。

關(guān) 鍵 詞度中心性； 容遲網(wǎng)絡(luò)； 能量控制； 小世界特性； 社會(huì)權(quán)威

A Routing Algorithm Based on Small World and Energy Efficiency in Delay Tolerant Network

ZHOU Zhao-rong1,2, XU Xiao-qiong1,2, YANG Liu1, and MA Xiao-xia1
(1. School of Physics and Electronic Engineering, Sichuan Normal University Chengdu 610101; 2. Key Laboratory of Wireless Sensor Networks, Sichuan Province Higher Education System Chengdu 610101)

Abstract Due to the small-world property in delay tolerant network (DTN), messages can reach destination nodes at most by five or six intermediate nodes. Therefore, the algorithm of the-best-so-far (TBSF) improved the delivery probability by limiting the number of intermediate nodes with the small-world property. Nevertheless, the issues of energy efficiency and social authority are not concerned in TBSF. In this paper, an enhanced algorithm is proposed by considering energy efficiency and social authority. The algorithm includes the energy control mechanism, considers the social authority of nodes by extending the degree centricity and highlights the role of nodes with higher social authority during forwarding messages. The corresponding simulation results show that the proposed algorithm can maintain the high message delivery probability and reduce the energy consumption..

Key words degree centricity; DTN; energy control; small-world property; social authority

DTN是一類特殊的移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)，這類網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)渥兓?、傳輸時(shí)延高、間歇性連通等特點(diǎn)。任意節(jié)點(diǎn)對(duì)之間不一定存在端到端的即時(shí)通信路徑，消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳播采用“存儲(chǔ)→攜帶→轉(zhuǎn)發(fā)”的路由機(jī)制。節(jié)點(diǎn)之間若要進(jìn)行通信，需要借助相對(duì)運(yùn)動(dòng)所形成的通信機(jī)會(huì)。相應(yīng)地，路由算法成為這類網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究工作中的關(guān)鍵[1]。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬資源以及消息生存時(shí)間的限制，經(jīng)歷多跳中間節(jié)點(diǎn)后依然滯留在網(wǎng)絡(luò)中的消息副本不僅無(wú)助于提升消息的交付率，反而會(huì)造成不必要的資源開(kāi)銷。因此，需要在路由算法中考慮如何限制中間節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。此外，由于便攜性的要求，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的能量極其有限，路由算法的設(shè)計(jì)還需要兼顧節(jié)點(diǎn)的能量控制機(jī)制。這些問(wèn)題在現(xiàn)有的路由算法中未能較好地解決，因此，還有深入研究路由算法的必要。

1 相關(guān)工作

近年來(lái)，研究人員針對(duì)DTN的不同應(yīng)用場(chǎng)景提出了多種路由算法。其中，泛洪路由算法Epidemic[2]基于消息的洪泛機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)較高的消息交付率，但同時(shí)產(chǎn)生了大量的消息副本，占用較多的網(wǎng)絡(luò)資源，容易造成網(wǎng)絡(luò)的堵塞。為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]提出了ProphetV2算法。該算法利用節(jié)點(diǎn)間相遇的歷史信息估算節(jié)點(diǎn)對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)概率，雖然消息交付率低于Epidemic算法，但極大地降低了網(wǎng)絡(luò)資源的開(kāi)銷。需要說(shuō)明的是，ProphetV2算法僅僅基于節(jié)點(diǎn)的歷史接觸信息，并未考慮節(jié)點(diǎn)的社會(huì)屬性。節(jié)點(diǎn)設(shè)備通常是人們所使用或攜帶的，人的行為具有社會(huì)屬性，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備也將表現(xiàn)出一定的社會(huì)屬性，因此，有必要從社會(huì)屬性的角度設(shè)計(jì)路由算法。Simbet算法[4]結(jié)合社會(huì)相似性與介數(shù)性指標(biāo)，提出了如何選取合適的中間節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息。文獻(xiàn)[5]基于社團(tuán)與中心性兩種指標(biāo)提出了Bubble rap的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，該機(jī)制分別基于全局中心性與局部中心性采用冒泡過(guò)程實(shí)現(xiàn)消息的轉(zhuǎn)發(fā)。此外，考慮到便攜性的要求，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的能量極其有限，路由算法中還需要兼顧能耗的問(wèn)題。為此，文獻(xiàn)[6]在Bubble rap算法的基礎(chǔ)上給出了節(jié)點(diǎn)能量敏感的路由算法，該算法在估算轉(zhuǎn)發(fā)概率時(shí)引入能量模塊，將消息轉(zhuǎn)發(fā)給高能效的節(jié)點(diǎn)。需要指出的是，上述算法雖然在一定程度上降低了消息的傳輸時(shí)延、提高了交付率，但沒(méi)有限制消息轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目。根據(jù)小世界特性[7-8]，文獻(xiàn)[9]根據(jù)小世界特性提出了TBSF算法，該算法限制消息傳播過(guò)程中的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目，但沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的能耗以及社會(huì)權(quán)威等問(wèn)題。本文將在TBSF算法的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的能量控制機(jī)制并結(jié)合度中心性討論節(jié)點(diǎn)的社會(huì)權(quán)威，進(jìn)一步地提出能效敏感的改進(jìn)路由算法。

2 節(jié)點(diǎn)的社會(huì)權(quán)威與能量控制機(jī)制

2.1 節(jié)點(diǎn)權(quán)威性

在人類社會(huì)中，不同的人有著不同的社會(huì)屬性，比如不同的社會(huì)權(quán)威或者社會(huì)影響力，若能夠充分利用這類社會(huì)屬性，將有效地提高信息的傳播效率。在DTN中，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的攜帶者通常為具有一定社會(huì)屬性的人，相應(yīng)地，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)類似于人類社會(huì)，不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)備體現(xiàn)不同的社會(huì)權(quán)威，在消息轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中發(fā)揮不同的作用。刻畫社會(huì)權(quán)威可以借助度中心性，定義為：

式中，ni表示與節(jié)點(diǎn)i直接相連的鄰居個(gè)數(shù)；K為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)。節(jié)點(diǎn)的度中心性越高，意味著與該節(jié)點(diǎn)直接相連的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目越多，該節(jié)點(diǎn)就越有可能位于網(wǎng)絡(luò)的中心位置，也就具有更高的社會(huì)權(quán)威。相應(yīng)地，這類節(jié)點(diǎn)可在消息轉(zhuǎn)發(fā)的過(guò)程中扮演更加重要的角色。

需要指出的是，上述度中心性只考慮一跳鄰居節(jié)點(diǎn)的情況，這樣定義的社會(huì)權(quán)威僅僅涉及局部信息，不能全面地反映節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的影響力。本文擴(kuò)展上述度中心性的定義，除了一跳鄰居之外，還考慮其他多跳的鄰居。在同時(shí)考慮一跳與兩跳鄰居節(jié)點(diǎn)的前提下，擴(kuò)展后的度中心性定義為：

式中，nk為節(jié)點(diǎn)k的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；n(i , k )為節(jié)點(diǎn)i和k的共同鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目。擴(kuò)展后的度中心性能夠更加準(zhǔn)確地反映節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的社會(huì)權(quán)威。

2.2 能量控制機(jī)制

為了降低節(jié)點(diǎn)的能量損耗并提高消息的交付率，按照如下的方法設(shè)計(jì)能量控制機(jī)制。首先，定義節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前可用能量比( ava_energyratio )以及能量比閾值(energy_threshold )為：

式中，current_energy為節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前能量；initial_energy為節(jié)點(diǎn)的初始能量；N為節(jié)點(diǎn)所攜帶的消息總數(shù)；mk為消息k的字節(jié)大??；transmit_energy為傳輸每字節(jié)所需要的能量；e為基準(zhǔn)的可用能量比。

對(duì)應(yīng)的能量控制機(jī)制為：

1) 若ava_energyratio< e，意味著節(jié)點(diǎn)的剩余能量不多，由于節(jié)點(diǎn)活躍需要耗能，為了增加節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，節(jié)點(diǎn)只將消息轉(zhuǎn)發(fā)給相遇節(jié)點(diǎn)為消息目的地的節(jié)點(diǎn)。

3 結(jié)合能效的改進(jìn)路由算法

3.1 算法思想

首先，比較相鄰節(jié)點(diǎn)的度中心性使消息盡量流向社會(huì)權(quán)威較高的節(jié)點(diǎn)；然后，根據(jù)小世界特性，控制消息轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目，減少網(wǎng)絡(luò)中的消息副本數(shù)量，提高帶寬的利用率；最后，通過(guò)比較鄰居節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度，將消息交給鄰居節(jié)點(diǎn)中連接強(qiáng)度大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 算法流程

在改進(jìn)的算法中，首先初始化各條消息的跳數(shù)Hop= 0，消息每經(jīng)過(guò)一次中間節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，跳數(shù)Hop就加1。當(dāng)Hop= 6時(shí)，為了抑制網(wǎng)絡(luò)中的消息副本數(shù)量，消息被丟棄。假設(shè)節(jié)點(diǎn)i攜帶有目的節(jié)點(diǎn)為d的一條消息，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i與另一節(jié)點(diǎn)j相遇，節(jié)點(diǎn)i根據(jù)以下的準(zhǔn)則判斷是否將該消息轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)j。

1) 若節(jié)點(diǎn)i的ava_energyratio小于e或者節(jié)點(diǎn)j的ava_energyratio小于energy_threshold，則節(jié)點(diǎn)i不向j轉(zhuǎn)發(fā)消息；否則，執(zhí)行下一步。

2) 若節(jié)點(diǎn)i的ava_energyratio小于energy_ threshold且大于等于e，連接強(qiáng)度P( j , d )大于為了不因能量耗盡而丟棄緩存中的消息，節(jié)點(diǎn)i將消息轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)j。

3) 若節(jié)點(diǎn)i的ava_energyratio大于等于energy_threshold，節(jié)點(diǎn)有足夠的能量轉(zhuǎn)發(fā)消息，根據(jù)消息的Hop來(lái)決定是否將消息交由節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)。

其中，連接強(qiáng)度的計(jì)算類似文獻(xiàn)[9]，完整的算法偽碼如下。

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)消息的偽代碼：if 節(jié)點(diǎn)i的可用能量比小于e or節(jié)點(diǎn)j的可用能量比小于能量閾值 then

continue else

for (節(jié)點(diǎn)i緩存中的消息) {

if 節(jié)點(diǎn)i的可用能量比小于能量閾值 &&

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)消息；

else if 節(jié)點(diǎn)i可用能量比不小于能量閾值 then

switch (節(jié)點(diǎn)i緩存消息的Hop )

case (Hop< 2 ) :

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)消息； break;

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)消息； break;

節(jié)點(diǎn)i向節(jié)點(diǎn)j轉(zhuǎn)發(fā)消息； break;

else

continue

end if

end for

end if

4 仿真結(jié)果分析

4.1 仿真場(chǎng)景

本文采用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境(opportunistic network environment, ONE)仿真器[10]進(jìn)行路由算法的仿真比較。為了使實(shí)驗(yàn)更接近真實(shí)情況，采用MIT數(shù)據(jù)[11]、Pmtrs數(shù)據(jù)[12]以及Infocom06數(shù)據(jù)[13]3種真實(shí)的移動(dòng)Trace。MIT數(shù)據(jù)記錄了97個(gè)持有智能手機(jī)Nokia6600的師生在9個(gè)月里的接觸信息；Pmtrs數(shù)據(jù)持續(xù)19天，通過(guò)49個(gè)移動(dòng)軌跡記錄器記錄設(shè)備間的接觸信息；Infocom06數(shù)據(jù)來(lái)自于2006年某會(huì)議現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)收集，記錄了78個(gè)參會(huì)人員攜帶的藍(lán)牙設(shè)備以及20個(gè)靜止設(shè)備之間的接觸信息。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

初始化基準(zhǔn)的可用能量比為e =0.1，度中心性調(diào)節(jié)因子β=1.2，節(jié)點(diǎn)能耗的設(shè)置參考文獻(xiàn)[14]，此外，考慮到各個(gè)場(chǎng)景對(duì)應(yīng)著不同的仿真時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于仿真時(shí)長(zhǎng)較高的場(chǎng)景，應(yīng)該允許更加寬松的消息生存時(shí)間，對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　仿真參數(shù)設(shè)置

4.3 算法評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了比較路由算法的性能，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

1) 消息交付率，定義為網(wǎng)絡(luò)中成功轉(zhuǎn)發(fā)的消息數(shù)與產(chǎn)生的總消息數(shù)的比值，高的消息交付率意味著網(wǎng)絡(luò)中更多的消息能夠成功到達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)，這是評(píng)價(jià)路由算法性能優(yōu)劣的最重要指標(biāo)。

2) 網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，它是衡量網(wǎng)絡(luò)帶寬效率的重要指標(biāo)，定義為成功轉(zhuǎn)發(fā)一條消息平均需要的消息副本數(shù)。開(kāi)銷越大意味著消息副本越多，由于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的資源有限而極易造成網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的下降。

3) 能量損耗，考慮到節(jié)點(diǎn)能耗的因素，定義能量損耗指標(biāo)為平均每節(jié)點(diǎn)成功交付一條消息所消耗的能量，計(jì)算為：

式中，cost_energy表示能量損耗；total_energy為網(wǎng)絡(luò)消耗的總能量；K為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)總數(shù)；M為成功交付的消息數(shù)。能量損耗可用于評(píng)價(jià)路由算法在有限能量前提下的資源利用率。

4.4 仿真結(jié)果分析

基于上述真實(shí)移動(dòng)Trace的場(chǎng)景，在不同消息生存周期下仿真比較了TBSF、ProphetV2以及本文提出的改進(jìn)路由算法的網(wǎng)絡(luò)性能。

4.4.1 3種場(chǎng)景下的交付率

圖1～圖3分別給出MIT、Pmtrs以及Infocom06 在3種場(chǎng)景下的消息交付率，此處的TBSFMODI代表本文所提出的改進(jìn)路由算法。從圖中可以看出，在不同的場(chǎng)景下，TBSFMODI的消息交付率均優(yōu)于ProphetV2與TBSF。這是由于TBSFMODI算法在度中心性的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了節(jié)點(diǎn)的社會(huì)權(quán)威，并在消息的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中突出權(quán)威節(jié)點(diǎn)的作用，從而使得消息在有限的跳數(shù)和生存時(shí)間內(nèi)更快地被轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)。

圖1　MIT場(chǎng)景下的交付率

圖2　Pmtrs場(chǎng)景下的交付率

圖3　Infocom06場(chǎng)景下的交付率

4.4.2 3種場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷

圖4~圖6分別給出3種場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷。由于TBSFMODI考慮了容遲網(wǎng)絡(luò)的小世界特性，在消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)限制消息的中間節(jié)點(diǎn)數(shù)目，降低了過(guò)多消息副本所帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷，因此，TBSFMODI的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷明顯低于ProphetV2算法與TBSF算法。

圖4　MIT場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷

圖5　Pmtrs場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷

圖6　Infocom06場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷

4.4.3 3種場(chǎng)景下的能量損耗

圖7~圖9展示了在3種場(chǎng)景下的能量損耗。結(jié)果表明，TBSFMODI的能量損耗均低于其他兩種算法。這是由于TBSFMODI算法設(shè)計(jì)了合理的能量控制機(jī)制，在消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)根據(jù)節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余能量來(lái)設(shè)計(jì)消息轉(zhuǎn)發(fā)方式，并且針對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)進(jìn)行了更加細(xì)致的劃分，從而有效地減少了能量損耗。

圖7 MIT場(chǎng)景下的能量損耗

圖8　Pmtrs場(chǎng)景下的能量損耗

圖9　Infocom06場(chǎng)景下的能量損耗

5 結(jié) 束 語(yǔ)

本文針對(duì)容遲網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有路由算法的不足，通過(guò)擴(kuò)展度中心性討論節(jié)點(diǎn)的社會(huì)權(quán)威，并結(jié)合容遲網(wǎng)絡(luò)的小世界特性，在設(shè)計(jì)能量控制機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的路由算法。進(jìn)一步地，根據(jù)真實(shí)移動(dòng)場(chǎng)景進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，本文所提出的改進(jìn)算法有著較好的系統(tǒng)性能，能夠在保持高交付率、低開(kāi)銷的同時(shí)節(jié)省能量。

參 考 文 獻(xiàn)

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編 輯 葉 芳

作者簡(jiǎn)介：周朝榮(1975 ? )，男，博士，副教授，主要從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方面的研究.

基金項(xiàng)目：四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(14ZA0033, 15CZ0004)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目(SCWSN201404)

收稿日期：2015 ? 01 ? 10；修回日期： 2015 ? 10 ? 30

中圖分類號(hào)TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

doi:10.3969/j.issn.1001-0548.2016.01.022